填料塔文献综述
填料塔文献综述
（一）引言
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。而塔填料、塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速的发展。目前，国内外已开始利用大型高效塔改造板式搭，并在增加产量、提高产品质量、节能等方面取得了巨大的成就。
（二）填料塔
填料塔是气、液呈逆流的连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装比板式塔简单。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气、液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层中的液体有向塔壁流动的“趋壁”倾向，因此填料层较高时往往将其分为几段，每一段填料层上方设有液体再分布器，使流到壁面的液体集于液体在分布器作重新分布。
填料塔操作时，气体从下向上呈连续相通过填料层的空隙，液体则沿填料表面流下，并形成相际接触界面，进行传质。气、液体的通过能力、相际界面的大小、传质速率的快慢与填料的集合形状关系甚大。因此，多年来人们一直注意发展性能优良而有造价低廉的填料。
填料塔与板式塔相比在以下情况下优先选用：①在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可以采用新型填料以降低塔德高度；②对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小、压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；③具有腐蚀性物料，可选用非金属填料的填料塔；④容易发泡的物料宜选用填料塔，因为在填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可以使泡沫破碎。
（三）塔填料
（1）填料的类型：填料的种类很多，按照制成填料的材料是实体还是网体可分为实体填料和网体填料两类。实体填料有陶瓷、金属或塑料等制成，如拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍形和矩鞍填料等；网体填料有金属丝制成，如形网环、网状鞍形填料、网波纹填料等。按照填料在塔内堆积的方法不同可分为乱堆填料和整砌填料两类。乱堆填料有颗粒形填料如拉西环、鞍形填料、鲍尔环、阶梯环等作无规则推挤而成；整砌填料则常由规整的填料整齐砌成，也可由拉西环等颗粒填料砌成。
（2）填料的性能评价:填料层的特性是影响塔操作的主要因素，它除了单个填料的名义尺寸之外，还包括：①单位体积中填料的个数；②比表面积；③空隙率；④干填料因子和填料因子；⑤堆积密度等项。填料层的特性还与填料塔内装填的方法有关；充水装填的比干装的要疏松；新装的比使用长久的要疏松。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。在机械强度允许的条件下，填料壁应尽量薄，以减少堆积密度，既可提高空隙率，又可降低材料成本。采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价，可得出，丝网波纹填料综合性能最好，拉西环最差。
(3)填料的选用：填料的选用主要根据效率、通量及压降三个重要的性能参数决定。它们决定了塔的大小及操作费用。在实际应用中，考虑到塔体的投资，一般选用具有中等比表面积的填料比较经济。比表面积较小的填料空隙率大，可用于流体高通量、大液量及物料较脏的场合。在同一塔中，可根据塔中不同高度处两相流量和分离难易而采用多种不同规格的填料。此外，在选择填料时还应考虑系统的腐蚀性、成膜性和是否含有颗粒等因素来选择不同材料，不同种类的填料。
（四）填料塔的传质问题和放大效应
在板式塔上，液体横向流过塔板与气体错流传质，塔内流体的浓度沿塔高呈梯级变化，通常用塔板效率来衡量传质效果。而在填料塔内，气、液体互呈逆流，组成沿填料层高呈连续变化的运动，故常用传质系数、传质单元高度（HTU）和等板高度（HETP）来衡量传质效果。这些系数和高度值受着许多因素的影响，主要有下述五个方面。
(1)气、液体在填料层横截面上的分布：在填料层横截面上，可供气、液体流通的自由截面并不是均匀分布的，近壁处的自由截面相对要大一些，气体在此处的局部流量也会偏高。另一方面，要使液体均匀地分布在填料层上，先要填料层顶部保证液体喷洒均匀，但液体在重力作用之下向下流动时，往往有向壁偏流的倾向。这种气、液体分布不均匀的现象，会使传质系数减小，HTU和HETP值增大。为了减少这种分布不均匀现象，所用填料尺寸要小于塔径的1/10～1/15，并且当填料层较高时，宜将填料层分段，每段填料上设置液体再分布器，将沿壁流下的液体导向中间。
(2)持液量：持液量可分为两部分：①静持量。塔停止喷淋液体和停止排液后，填料层内所积存的液体呈称静持量，以液体/填料（m3/m3）表示，其值只于填料特性及液体性质有关；②动持量。将塔停止喷淋液体和停止排液后，同时测的填料层内所排出的液体称动持量，以液体/填料（m3/m3）表示，其值还与液体喷淋量有关，在载点以上又与气速有关。
静持量和动持量之和称总持液量。持液量大使塔身重量增大，填料层内的气流通道减小压降增大，并使液体在填料层内的平均停留时间增长，这种停留时间的增长，有利于伴有化学反应的吸收系统。持液量大还使塔操作的惯性效应增大，使操作时组成的波动较小，但使达到稳定操作的开工时间增长，不利于处理贵重液体和精密分馏。持液量的大小还影响填料的有效润湿表面，从而也影响传质的性能。
(3)填料表面的润湿：填料表面的润湿性能直接影响到填料表面上成膜，而成膜是否理想又影响到气、液两相的传质。在物系和操作条件确定后，填料的润湿性能就由填料的材质、表面形状及装填方法所决定。润湿状态还与喷淋量有关，液体喷淋量小时，部分填料表面不能为液体所润湿，即使在液体喷淋量很大的情况下，也难于做到使填料表面完全有效润湿，因在一些液体不流动的静止区中，所有的液体往往为气体所饱和，或气、液体之间已达到平衡，不能再发生传质作用。这些原因都使填料塔的体积传质系数下降，或使HTU或HETP值增大。
(4)传质系数：关于气相和液相的传质膜系数，及其相对大小对总传质系数的影响在吸收专著中均有讨论。对难溶气体的吸收，则宜增大液-气比L/G对总传质系数的增大较为有效。反之，对易溶气体的吸收，则宜增大气体流量以促进传质。文献上积累了许多关于传质系数、HTU和HETP的数据。这些数据多是从小塔试验所得结果。由于各人额试验条件不同，所得数据的差别也很大，用于设计大塔时，可靠性较差，故设计所需数据最好取自相同系统和相同规模装置上或类似条件下的实测数据。有关传质系数、传质单元高度和等板高度的关联式请参见吸收、精馏等有关手册和专著。
(5)轴向返混的影响：在填料塔内气-液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在不同程度的返混，影响传质效率。返混现象可有多种原因引起，例如：填料层内的气、 液体分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度大时所造成的气体局部向下运动；塔内气、液体的湍流脉动使气、液体微团停留时间的不一致等。填料塔内流体的返混使塔内每一相沿塔高的浓度梯度减小，也减小了平均推动力，使所需填料层高度增加。按理想的活塞流所设计的填料层高度，往往因存在返混而须将填料层适当加高，以保证预期的分离效果。返混因素常采用湍流扩散数学模型来分析。
（五）填料塔的内件
填料塔的内件是为了保证气液更好的接触，以便发挥填料塔的最大效率和生产能力。内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
(1)填料支承装置：填料支承装置安装在填料层底部，其作用是防止填料穿过支承装置而落下；支承操作时填料层的重量；保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过。支承装置具备足够的强度及刚度，而且要求结构简单，便于安装，所用的材料耐介质的腐蚀。常用的填料支承装置有栅板型、波纹型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。
(2)填料压紧装置：填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压紧器和床层限位器两大类。
(3)液体分布装置：液体分布器安装由于填料上部，它将液相加料及回流液均匀的分布到填料的表面上，形成液体的初始分布。液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。液体分布器的安装位置一般高于填料层表面150～300mm，以提供足够的空间让上升气体不受约束的穿过分布器。
(4)液体收集及再分布装置：液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。壁流将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降，严重时使塔心的填料不能被也液体润湿而形成干锥。为减小壁流现象，可间隔一定高度在填料层内设置液体再分布装置。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。
在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器。
（六）填料塔的研究及改进
随着化工生产向大型化发展，近来直径超过1m的屡见不鲜，填料塔只适用于小直径的传统观点，正在经受挑战。因此，人们一直重视填料塔的放大规律，并且把注意力集中在改善气体和液体的分布，以及改进填料的性能两个方面。
一般认为拉西环有较严重的流体分布不良效应，自从出现了鲍尔环、矩鞍形填料和阶梯环之后，近年来又特别重视液体喷淋装置和再分布器的改进，使填料塔放大的可能性比过去有所提高。通过对大直径实验塔的测定，证明压降数据与埃克特的通用关联图很相符合，40mm瓷质拉西环乱堆填料的泛点数据也与该图相符合，其他尺寸的几种填料的泛点数据则与图线符合稍差，至于传质单元高度的数据与多数从小塔所得的的关联式计算结果相比，都存在较大误差。试验还表明大塔的气、液体通过能力、流体力学性能和传质效率均与填料层高度无关，还表明在大直径填料塔中只要液体开始分布均匀，则填料层中流体分布可不受填料层高度的影响。规整填料比乱堆填料的放大效应要小，因为不是规整填料，如网波透露了等形状本身具有液体再分布的能力。
